[发明专利]一种层状矿物与纳米二氧化钛插层复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种层状矿物与纳米二氧化钛插层复合材料及其制备方法。

背景技术

纳米二氧化钛在功能涂料、光催化领域具有广泛用途。制备纳米二氧化钛技术复杂且代价较高；此外，纳米颗粒的团聚效应会导致其性能降低。低成本的制备技术和抗团聚技术是扩大纳米材料应用领域的有效途径。也有人尝试将天然矿物作为纳米二氧化钛的载体，但只是将天然矿物的表面作为纳米二氧化钛的载体，使用的是表面复合技术。纳米二氧化钛与天然矿物的表面复合能在一定程度上降低成本，但不能抑制纳米颗粒之间的团聚。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种层状矿物与纳米二氧化钛插层复合材料及其制备方法。

层状矿物与纳米二氧化钛插层复合材料是：在层状矿物的结晶结构层之间插有纳米粒级的二氧化钛颗粒所形成的一种复合材料。

所述的层状矿物为滑石、蛇纹石、高岭石、多水高岭石、叶蜡石、云母类、伊利石、绿泥石、蛭石、蒙脱石，它们在自然界的产出形态为粘土、泥岩、页岩或块状矿石。

层状矿物与纳米二氧化钛插层复合材料的制备方法的步骤如下：

    1）经分离提纯的层状矿物，加入5至10倍重量，质量百分浓度为3%至10%的盐酸，再加入层状矿物重量0.5%至2%的连二亚硫酸钠，搅拌均匀制成悬浮液矿浆，在常温下反应6～24小时，期间不断搅拌；

2）过滤或离心脱水，清洗2～4次，60至80°C烘干；

3）冷却至常温后，每一重量份步骤2)脱水后的物料加0.8至1.5重量份钛酸丁酯，搅拌均匀后在高剪切研磨机中研磨1至2小时；

4）加入3至5倍水搅拌均匀，静置反应4至10小时，过滤或离心脱水；

5）将步骤4)脱水后的物料逐步加热到280至300°C，恒温2-4小时，制得层状矿物与纳米二氧化钛插层复合材料。

所述的高剪切研磨机为球磨机、辊磨机、棒磨机或珠磨机。

本发明先利用研磨过程的机械-化学力，将二氧化钛的前躯体钛酸丁酯插入层状矿物的结晶结构层，在通过水解反应，使钛酸丁酯在层间水解为氢氧化钛，将煅烧脱水后生成二氧化钛。由于结晶结构层的约束，所形成的二氧化钛为粒径约5纳米的均匀颗粒。通过本发明制备的层状矿物与纳米二氧化钛插层复合材料在光催化、功能性涂料领域能取代纳米二氧化钛，其成本远低于纳米二氧化钛，并且具有更高的化学活性。

具体实施方式

层状矿物与纳米二氧化钛插层复合材料是：在层状矿物的结晶结构层之间插有纳米粒级的二氧化钛颗粒所形成的一种复合材料。

所述的层状矿物为滑石、蛇纹石、高岭石、多水高岭石、叶蜡石、云母类、伊利石、绿泥石、蛭石、蒙脱石，它们在自然界的产出形态为粘土、泥岩、页岩或块状矿石。

层状矿物与纳米二氧化钛插层复合材料的制备方法的步骤如下：

    1）经分离提纯的层状矿物，加入5至10倍重量，质量百分浓度为3%至10%的盐酸，再加入层状矿物重量0.5%至2%的连二亚硫酸钠，搅拌均匀制成悬浮液矿浆，在常温下反应6～24小时，期间不断搅拌；

从成本、效果等因素综合考虑推荐使用盐酸，也可以使用其它无机酸。酸处理一方面能去除可能存在的酸溶性杂质，如碳酸盐和铁锰氧化物、硫化物等；此外，酸处理能使矿物表面被活化，有利于后续的插层进行。加入连二亚硫酸钠能使铁、锰被还原，增加其去除率。

2）过滤或离心脱水，清洗2～4次，60至80°C烘干；

脱水、烘干是为了避免在下一步反应前水份与钛酸丁酯发生水解反应。

3）冷却至常温后，每一重量份步骤2)脱水后的物料加0.8至1.5重量份钛酸丁酯，搅拌均匀后在高剪切研磨机中研磨1至2小时；

钛酸丁酯又名钛酸四正丁酯，在这里用作二氧化钛的前躯体。钛酸丁酯具有亲水、亲油性，对水有非常高的化学活性。借助于研磨过程的机械化学力，钛酸丁酯能进入层状矿物的结晶结构层，形成插层化合物。

4）加入3至5倍水搅拌均匀，静置反应4至10小时，过滤或离心脱水；

加水后酞酸丁酯迅速水解，形成氢氧化钛。水解过程在矿物层间进行，形成的氢氧化钛也保留在矿物的结晶结构层之间。

5）将步骤4)脱水后的物料逐步加热到280至300°C，恒温2-4小时，制得层状矿物与纳米二氧化钛插层复合材料。

加热过程中氢氧化钛失去结晶水和氢氧根，生成二氧化钛。由于矿物结晶结构层的约束作用，有效抑制了二氧化钛颗粒的团聚，脱水生成的二氧化钛为粒度介于3至6纳米的颗粒分布在矿物结晶结构层之间。